鋰離子電池(如圖 2－3 所示)是指采用可以可逆地嵌入與(yu) 脫嵌鋰離子的變價(jia) 金屬化合物做為(wei) 正極、采用可以可逆地插入與(yu) 脫插鋰離子的材料做為(wei) 負極，從(cong) 而通過鋰離子在正負極之間的遷移來工作的二次電池。由於(yu) 電池充電與(yu) 放電時，鋰離子是在正、負極間進行交換，故鋰離子電池又稱為(wei) 搖椅式電池。

下麵以鈷酸鋰電池(LiCoO₂—Li_xC₆)為(wei) 例來加以詳細說明。在鈷酸鋰鋰離子電池中，正極材料為(wei) 鈷酸鋰(即氧化鈷鋰—LiCoO₂)， 此時的 Co 為(wei) ＋3 價(jia) 。LiCoO₂ 可以看做是 Li^＋嵌入 CoO₂(CoO₂ 中的 Co 為(wei) ＋4 價(jia) )所得。負極材料是石墨，注意石墨是層狀結構，層與(yu) 層之間是微弱的範德華力，層內(nei) C 原子通過 sp² 雜化構成平麵六邊形，層內(nei) 有未參與(yu) 雜化的 p 電子可以在其中自由運動。

將負極材料石墨與(yu) 正極材料鈷酸鋰連接時並沒有電流產(chan) 生。在鋰離子電池生產(chan) 工藝中，鋰離子電池生產(chan) 中很重要的一步、也是在接近電池完成 時的一步重要工序叫做“化成”過程，即給鋰離子電池充電的過程，充電後負極才有鋰離子存在。充電時，伴隨著外電路的電子到達負極，同時有部分如 x 個(ge) 鋰離子(不超過原鋰離子的一半)從(cong) 正極 LiCoO₂ 中脫嵌，經過電解液和隔膜後插入到石墨層間(如圖 2－4 所示)，構成了插層化合物 Li_xC₆(如圖 2－5 所示)。

這裏需要說明的有兩(liang) 點；

①鋰離子從(cong) 正極脫嵌時，並不是正極鈷酸鋰中所有的鋰離子均脫嵌，隻能有部分如 x 個(ge) 鋰離子脫嵌， x 不能等於(yu) 1，否則鈷酸鋰的框架結構將會(hui) 坍塌(看來鈷酸鋰晶體(ti) 的大廈 是由 Co、O、Li 三種元素共同支撐的，一旦 Li 全部失去，餘(yu) 下的 Co 與(yu) O 形成 CoO₂，那麽(me) 鈷酸鋰晶體(ti) 的大廈將坍塌；如果隻失去部分 Li，最多失去一半的 L i，那麽(me) 這個(ge) 大廈將由失去 Li 後的 CoO₂ 和原來遺留下來的 LiCoO₂ 可以勉力共同支撐)。所以 x 值通常取 0.5，即在電池設計時，如果充滿電，此時 x=0.5；

②電池的化成過程即預充電過程中，鋰離子移動到負極，外電路等量的電子同時到達負極，而“鋰離子＋電子”的組合，正 是金屬 Li 原子。因此當鋰離子伴隨著電子同時進入石墨中時，鋰離子插入到石墨層間，完全可以看做是金屬陽離子 Li^＋沉浸在自由電子的海洋中， 構成了金屬晶體(ti) Li 與(yu) 石墨的關(guan) 係，這種關(guan) 係可以類比於(yu) 合金，金屬鋰單質被碳所束縛，Li_xC₆ 被稱為(wei) 插層化合物或層間化合物。從(cong) 專(zhuan) 業(ye) 術語來說，負極材料鋰離子的來去叫插入和脫插，正極材料鋰離子的來去叫嵌入和脫嵌。

因此鋰離子電池的工作原理就是原電池原理。放電時，Li 原子失去電子，電子經外電路、Li^＋從(cong) 石墨層間脫插進入電解液，與(yu) 電子同時移向正極， 在正極得電子的同時，x 個(ge) Li^＋嵌入到正極 Li_1－XCoO₂ 中形成 LiCoO₂。故放電時的負極反應可以寫(xie) 作：Li_xC₆－xe^-==xLi^＋＋6C；在正極，得電子的元素是高價(jia) 態金屬元素 Co，正極反應為(wei) ：Li_1－XCoO₂＋xLi^＋＋xe^-==LiCoO₂。放電時的總反應為(wei) ：LixC₆＋L i_1－xCoO₂== L iCoO₂＋6C。

充電時，鋰離子從(cong) 正極脫嵌， 插入到石墨層中，陽極反應為(wei) ：LiCoO₂－xe^-==Li_1－XCoO₂＋xLi^＋；陰極反應為(wei) ：6C＋xLi^＋＋xe^-== Li_xC₆。那麽(me) 也就容易理解，鋰離子電池的電容量取決(jue) 於(yu) 放 電時能從(cong) 負極回到正極中的 Li^＋的數量。能從(cong) 負極脫插，嵌入到正極的 Li^＋ 越多，鋰離子放電容量越大。

除鈷酸鋰電池外，其它常見的鋰離子電池的正極材料還有磷酸亞(ya) 鐵鋰 (LiFePO₄)、鎳酸鋰(LiNiO₂)錳酸鋰(LiMn₂O₄)等。它們(men) 都是以鋁作為(wei) 集流體(ti) (起承載電極、匯集電流的作用)。典型負極材料是石墨，采用銅作為(wei) 集流體(ti) 。工作原理與(yu) 鈷酸鋰電池相同(如圖 2－6 所示)。

如磷酸亞(ya) 鐵鋰電池(LiFePO₄—Li_xC₆)，

放電時的負極反應為(wei) ：Li_xC₆－xe^-==xLi^＋＋6C；

正極反應為(wei) ：Li_1－XFePO₄＋xLi^＋＋xe^-==LiFePO₄ 。

充電時陽極反應 為(wei) ：LiFePO₄－xe^-==Li_1－XFePO₄＋xLi^＋；

陰極反應為(wei) ：6C＋xLi^＋＋xe^-== LixC₆。